FPGA学习altera 系列 第二十篇 呼吸灯设计
FPGA学习altera 系列 第二十篇 呼吸灯设计
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今天给大侠带来“FPGA学习系列 altera"系列，持续更新。此学习心得是本人之前所写，所用设计软件为Quartus II 13.1，现Quartus II 新版本已更新到19+，以下仅供初学者学习参考。后续会更新其他系列，敬请关注。话不多说，上货。
对于每一个的小实验，我们都可以把它看作是一个小项目，逐步的去分析，设计，调试，最后完成功能。下面我们就开始我们的“小项目”。
项目名称：呼吸灯
具体要求：led灯在由亮到暗以及由暗到亮的逐渐变化。
项目分析：
1. 要求分析
灯光在微电脑的控制之下完成由亮到暗的逐渐变化，感觉好像是人在呼吸。根据不同人群以及不用情况下的呼吸频率不同，笔者这里采取一分钟呼吸15次，呼气2秒钟，吸气2秒钟。
2. 实现原理
由于LED的亮度与流过的电流成正比，如果能够去控制流经LED的电流，使电流在2秒钟内从i=0A(0A：0安培)逐渐递增到i=XA（XA：一定的电路强度），就实现了LED的由暗到亮的逐渐变化；使电流在2秒钟内从i=XA逐渐递增到i=0A就实现了LED的由亮到暗的逐渐变化。以此为周期，不断地变化下去，就实现了呼吸灯的功能。
在数字电路中，控制电流的大小几乎是不能实现的。如果将LED在T/2内点亮，将LED在T/2内熄灭，我们会看到什么呢？人的眼睛有视觉暂留（人眼在观察景物时，光信号传入大脑神经，需经过一段短暂的时间，光的作用结束后，视觉形象并不立即消失，这种残留的视觉称“后像”，视觉的这一现象则被称为“视觉暂留”），若T的时间足够短，那么将会看到一直亮着的LED，亮度由点亮的时间所占T的比例决定的。
3. 实现方案
一分钟呼吸15次，呼气2秒钟，吸气2秒钟。我们先做由暗到亮，将2秒钟分成1000个时间段，每个时间段2ms。第一个时间段全部熄灭；第二个时间段2us的时间点亮，其余时间熄灭；第三个时间段4us的时间点亮，其余时间熄灭······
每个时间段为2ms，相邻两个时间段增加2us，可以理解为点亮的比例每个时间段增加千分之一。这样的话，就可以完成由暗到亮。将上述的输出波形取反，就是点亮的比例每个时间段减少千分之一，完成由亮到灭。
架构图如下：
系统设计：
1. 工程的名称：breathe_led
2. 实现方法：用计数器1实现2us的计时，用计数器1驱动计数器2，实现2ms的计数。用计数器1和计数器2驱动计数器3，实现2s的计数。用计数器2和计数器3进行比较，来完成占空比的调节。计数器3每增加1，计数器2都会从0增加到999，如果将计数器3数值大于计数器2数值的时间段，当作点亮的时间，那么就可以实现由暗到亮的过程了。
设计代码如下：
/*
模块名称：breathe_led
模块功能：呼吸灯
作者：郝旭帅
邮箱：746833924@qq.com
*/
module breathe_led (clk, rst_n, led);
input clk;//50MHz，周期为20ns
input rst_n;
output led;
parameter T2us = 100;
parameter T2ms = 1000;
parameter T2s = 1000;
reg [6:0] cnt1;//2us的计数器
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
begin
if (!rst_n)
begin
cnt1 <= 7'd0;
end
else
begin
if (cnt1 < T2us - 1)
begin
cnt1 <= cnt1 + 1'b1;
end
else
begin
cnt1 <= 7'd0;
end
end
end
wire flag;//计时到2us时，产生一个同步脉冲
assign flag = (cnt1 == T2us - 1) ? 1'b1 : 1'b0;
reg [9:0] cnt2;//2ms计数器
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
begin
if (!rst_n)
begin
cnt2 <= 10'd0;
end
else
begin
if ((cnt2 < T2ms - 1)&&(flag))
begin
cnt2 <= cnt2 + 1'b1;
end
else
begin
if (flag)
begin
cnt2 <= 10'd0;
end
else
begin
cnt2 <= cnt2;
end
end
end
end
reg [9:0] cnt3;//2s的计数器
reg change;//控制占空比由大变小或者由小变大
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
begin
if (!rst_n)
begin
cnt3 <= 10'd0;
change <= 1'b0;
end
else
begin
if ((cnt3 < T2s - 1)&&(cnt2 == T2ms - 1) && (flag))
begin
cnt3 <= cnt3 + 1'b1;
end
else
begin
if ((cnt2 == T2ms - 1) && (flag))
begin
change <= ~change;
cnt3 <= 10'd0;
end
else
begin
cnt3 <= cnt3;
end
end
end
end
reg led_n;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
begin
if (!rst_n)
begin
led_n <= 1'b0;
end
else
begin
if (cnt3 > cnt2)
begin
led_n <= 1'b0;
end
else
begin
led_n <= 1'b1;
end
end
end
assign led = (change == 1) ? ~led_n : led_n;
endmodule代码解析：
1. assign led = (change == 1) ? ~led_n : led_n;
代表：当change=1时，led=~led_n，当change=0时，led=led_n。
2. cnt2清零时，必须等待flag。如果没有flag，那么cnt2的最后一个数值将只会存在一个周期。cnt3同理。
3. 当cnt3计时到最后一刻时，将change取反，输出的占空比变化情况发生改变。
激励代码如下：
/*
模块名称：breathe_led_tb
模块功能：为breathe_led模块提供激励信号
作者：郝旭帅
邮箱：746833924@qq.com
*/
`timescale 1ns/1ps
module breathe_led_tb;
reg clk;
reg rst_n;
wire led;
parameter T2us = 2;//仿真时，时间缩短
parameter T2ms = 5;
parameter T2s = 5;
initial begin
clk = 1'b1;
rst_n = 1'b0;
# 200.1
rst_n = 1'b1;
# 3000
$stop;
end
always # 10 clk = ~clk;//50MHz
breathe_led
#(
.T2us(T2us),//传递仿真参数
.T2ms(T2ms),
.T2s(T2s)
)
breathe_led_dut(
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.led(led)
);
endmodule仿真波形如下：
led的占空比从大到小，再从小到大，一直不断地变化下去。
如果设计要求或者本地晶振与笔者的设计不同，请自行更改设计，以保证设计的正确性。如果还是有不明白的读者可以发邮件到我邮箱或者加群询问。
END